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Ciclo do Nitrogênio


Ciclo do nitrogênio – incorporação de átomos de nitrogênio à substâncias orgânicas. 

O nitrogênio é um elemento presente nas moléculas de aminoácidos, unidades das proteínas, e nas bases nitrogenadas, componentes dos ácidos nucléicos.

78% do ar atmosférico é composto por gás nitrogênio (N2), sendo o grande reservatório desse elemento na natureza; apesar disso, a grande maioria dos seres vivos não consegue utilizar diretamente esse gás e incorporá-lo às suas moléculas orgânicas. Apenas algumas poucas espécies de bactérias conseguem retirar o nitrogênio do ar, transformando-o em substâncias utilizáveis pelos organismos vivos ou então retirando o nitrogênio das substâncias orgânicas e devolvendo-o à atmosfera para fechar o ciclo. A vida na Terra não seria possível sem esses microorganismos.

Bactérias fixadoras de nitrogênio (principalmente do gênero Rhizobium) e cianobactérias (antigamente denominadas algas azuis), que vivem na água, no solo ou em associação com raízes de leguminosas, absorvem o nitrogênio gasoso (N2), tranformando-o em amônia (NH3). Alguns vegetais, incluindo as leguminosas, utilizam a amônia diretamente para a produção de proteínas e ácidos nucléicos. Pela cadeias alimentares, as proteínas vegetais podem ser transferidas para os animais. A excreção animal libera resíduos nitrogenados, como a uréia, o ácido úrico e também a amônia; além disso, a morte de animais e de plantas origina também resíduos nitrogenados. Esses resíduos são degradados pelos decompositores, que produzem amônia.

A amônia poderá seguir três caminhos: poderá ser utilizada diretamente pelas plantas, como já vimos; porém a maioria da amônia do solo será transformada em nitritos por bactérias nitrificantes e depois em nitratos, que ficam no solo e na água. Os nitratos podem ser absorvidos pelos vegetais, que os utilizam para a produção de proteína vegetal e ácidos nucléicos. Um terceiro caminho possível para a amônia é a sua absorção por bactérias desnitrificantes, que a transformam em nitrogênio gasoso (N2) e devolvem esse gás para a atmosfera. Parte dos nitratos também é absorvida por bactérias desnitrificantes e também são transformados em gás nitrogênio que é devolvido à atmosfera, fechando o ciclo.
O Ciclo do Nitrogênio

Muitos compostos contendo nitrogênio são encontrados na natureza, pois este elemento químico possui grande capacidade de fazer ligações químicas, com números de oxidação variando de (–3 ) a (+5). É o mais abundante elemento químico na atmosfera terrestre, contribuindo com aproximadamente 78% de sua composição. A molécula de N2 é extremamente estável e quase não desempenha papel químico importante, exceto na termosfera (altitude maior que 90 km) onde pode ser fotolizada ou ionizada. Os constituintes minoritários, tais como óxido nitroso (N2O), óxido nítrico (NO), dióxido de nitrogênio (NO2), ácido nítrico (HNO3) e amônia (NH3) são quimicamente reativos e têm importantes papéis nos problemas ambientais contemporâneos, incluindo a formação e precipitação ácida (chuva ácida), poluição atmosférica (smog fotoquímico), aerossóis atmosféricos e a depleção da camada de ozônio. Os óxidos de nitrogênio, NO e NO2, são rapidamente interconversíveis e existem em equilíbrio dinâmico. Por conveniência a soma das duas espécies é geralmente referida como NOx (NOx ⇌ NO + NO2).

O nitrogênio é essencial à vida, sendo necessário, por exemplo, na constituição das proteínas e do DNA que contém as informações genéticas. A atmosfera é o principal reservatório de nitrogênio, sob forma de N2, embora as plantas e animais não possam utilizá-lo diretamente. Os animais necessitam do nitrogênio incorporado em compostos orgânicos (aminoácidos e proteínas), enquanto que plantas e algas necessitam do nitrogênio sob a forma de íons nitrato (NO3-) ou íons amônio (NH4+).

O ciclo do nitrogênio, ilustrado na Figura 4, é um dos mais importantes e complexos dos ciclos globais. Este ciclo descreve um processo dinâmico de intercâmbio de nitrogênio entre a atmosfera, a matéria orgânica e compostos inorgânicos.

Figura 4: O ciclo global do Nitrogênio
Figura 4: O ciclo global do Nitrogênio

 

Qualquer processo que resulte na transformação do N2 da atmosfera em outros compostos de nitrogênio é denominado de fixação de nitrogênio. Um grande número de bactérias pode converter o nitrogênio gasoso a amônia (NH3) ou íons amônio (NH4+), por meio de redução catalisada por enzimas, em processo conhecido como fixação biológica de nitrogênio que representa 90% de toda a fixação de origem natural.

Para o ecossistema terrestre, na ausência de fertilizantes, a fixação biológica de N2 pela bactéria chamada Rhizobium é a fonte mais importante de nitrogênio para os organismos vivos. Esta bactéria vive em nódulos ou raizes de leguminosas e representa um exemplo interessante de simbiose, onde há benefícios para ambas as espécies: a leguminosa fornece local e alimento (açúcar) para a bactéria e, por outro lado, recebe o nitrogênio em forma assimilável. Em ecossistemas aquáticos o ciclo do nitrogênio é similar,sendo as cianobactérias os microrganismos mais importantes na fixação de nitrogênio. 

Adicionalmente, o nitrogênio gasoso pode ser convertido em amônia e espécies oxidadas, por meio de reação provocada por descargas de relâmpagos, em processo chamado de fixação atmosférica de nitrogênio.

Atividades antrópicas, como por exemplo a produção de amônia ou ácido nítrico, também contribuem para a fixação de nitrogênio em processo denominado de fixação industrial de nitrogênio

O nitrogênio também pode ser oxidado a nitritos (NO2-) ou nitratos (NO3-) num processo chamado de nitrificação, o qual é facilitado pela presença de certas bactérias e pode ser resumido nas reações 9 e 10. Os óxidos nítrico (NO) e nitroso (N2O) são subprodutos destas reações, as quais também contribuem para a emissão destes gases para a atmosfera.

2 NH4++ 3 O2 → 2 NO2- + 2 H2O + 4 H+ (9)

2 NO2- + O2 → 2 NO3- (10)

As bactérias, plantas e algas convertem os compostos inorgânicos de nitrogênio a espécies orgânicas, tornando o nitrogênio disponível na cadeia ecológica alimentar. Nos animais, em processo de respiração celular, os compostos orgânicos são transformados, retornam ao solo como excremento e podem ser absorvidos por plantas. Quando os organismos morrem, certas bactérias são capazes de converter os compostos orgânicos contendo nitrogênio em nitrato, amônia ou, por uma série de reações químicas, em nitrogênio molecular, quando, então, retorna à atmosfera.

A redução de nitrato (NO3-) a espécies de nitrogênio (reação 11) sob forma de gás (e.g.N2, N2O, NO), ocorre em processos químicos e biológicos e é denominada dedesnitrificação. Como resultado deste processo, o N2 atmosférico constitui o principal reservatório de nitrogênio na Terra. Por outro lado, a ausência de desnitrificação pode ter sido a responsável, no passado, pelo grande acúmulo de nitrato nos oceanos.

A desnitrificação ocorre em toda a superfície terrestre, num processo que reduz o nitrogênio desde o estado de oxidação +V (NO3-) até zero (N2), como mostrado na reação 11, em que os números em algarismos romanos representam os respectivos estados de oxidação do nitrogênio. Esse ciclo é fechado com o retorno do N2 à atmosfera.

NVO3- → NIIIO2- → NIIO → NI2O → N02 (11)

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